Теорія автоматичного керування 1: шпаргалка-підсумок

Аркуші з формулами, ключові кроки методів для кожної теми та 12 задач для практики, з повними розв’язками наприкінці.

Нові задачіНазад до курсу

У вікні друку виберіть «Зберегти як PDF», щоб зберегти копію на пристрої.

1Формули та методи

Стійкість: Раус–Гурвіц і кореневий годограф

Стійкість
усі корені характеристичного полінома в лівій півплощині
таблиця Рауса, елемент s¹ кубічного полінома
b1 = (a2a1 − a3a0)/a2
Корені в правій півплощині
кількість змін знака в першому стовпці
Кубічний поліном s³ + a₂s² + a₁s + a₀
стійкий, коли всі a > 0 і a₂·a₁ > a₀
K/(s(s + a)(s + b))
Kmax = ab(a + b), ω = √(ab)
Характеристичне рівняння
1 + K·G(s) = 0
Асимптоти
σa = (Σp − Σz)/(n − m), θ = (2q + 1)·180°/(n − m)
Точки відходу й входу
dK/ds = 0
Умова модуля
K = 1/|G(s)|
Кут відходу
θd = 180° − Σ∠(from other poles) + Σ∠(from zeros)

Метод

  1. Запишіть характеристичний поліном замкненої системи: знаменник рівняння 1 + K·G(s) = 0, розкритий до кінця.
  2. Запишіть коефіцієнти по черзі в перші два рядки таблиці Рауса й побудуйте решту рядків.
  3. Підрахуйте зміни знака в першому стовпці: кожна з них — це полюс у правій півплощині. Якщо в таблиці є K, вимагайте, щоб кожен елемент першого стовпця залишався додатним.
  4. Для кореневого годографа позначте полюси й нулі, ділянки дійсної осі, асимптоти з центра та точки розгалуження, де dK/ds = 0. Для коефіцієнта підсилення в точці скористайтеся K = 1/|G(s)|.

Усталена похибка та ПІД-регулювання

Тип системи
кількість полюсів G(s) у точці s = 0
Константи похибок
Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s), Ka = lim s²·G(s) (s → 0)
Східчастий сигнал A
ess = A/(1 + Kp)
Лінійно наростальний сигнал A·t
ess = A/Kv
Параболічний сигнал A·t²/2
ess = A/Ka
ПІД-регулятор
C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s
Цільова система другого порядку
s² + 2ζωns + ωn²
Перерегулювання та часові показники
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd, ts ≈ 4/(ζωn)

Метод

  1. Підрахуйте полюси розімкненого контуру C(s)·G(s) у точці s = 0: це тип системи.
  2. Знайдіть константу похибки, що відповідає входу: Kp для східчастого, Kv для лінійно наростального, Ka для параболічного сигналу.
  3. Застосуйте ess = A/(1 + Kp), A/Kv або A/Ka, або розв’яжіть це відносно потрібного коефіцієнта підсилення.
  4. Для вимоги щодо демпфування чи швидкодії запишіть характеристичний поліном замкненої системи й порівняйте його з s² + 2ζω_n·s + ω_n².

2Задачі для практики

1.Перетворення ЛапласаСередня
t (s)f(t)t = 1f(1) = ?

Знайдіть f(t) для F(s) = 20/(s(s + 1)(s + 2)) розкладом на простіші дроби й обчисліть f(1).

F(s) = 20/(s(s + 1)(s + 2))t = 1 s
f(1) =
2.Перетворення ЛапласаСкладна
t (s)y(t)t = 0,25y(0,25) = ?

Система підпорядковується рівнянню y″ + 9y′ + 20y = 120·u(t). Вона починає зі спокою (y(0) = 0, y′(0) = 0), а вхід — сходинка u(t) = 5 при t ≥ 0. За допомогою перетворення Лапласа знайдіть вихід y(0,25).

y″ + 9y′ + 20y = 120·u(t)u(t) = 5y(0) = 0, y′(0) = 0t = 0,25 s
y(0.25) =
3.Блок-схемиСередня
R(s)+38s + 2G(s)C(s)2H−

Об’єкт G(s) = 38/(s + 2) керується в контурі від’ємного зворотного зв’язку, датчик якого має коефіцієнт підсилення H = 2. Знайдіть сталу часу τ замкненої системи.

G(s) = 38/(s + 2)H = 2
τ = s
4.Блок-схемиСкладна
R(s)+14s + 2G₁+5s + 5G₂C(s)1H₁−0,2H₂−

Згорніть блок-схему з G₁ = 14/(s + 2), G₂ = 5/(s + 5), внутрішнім від’ємним зворотним зв’язком H₁ = 1 навколо G₂ та зовнішнім від’ємним зворотним зв’язком H₂ = 0,2. Знайдіть статичний коефіцієнт підсилення T(0) для C(s)/R(s).

G₁ = 14/(s + 2)G₂ = 5/(s + 5)H₁ = 1H₂ = 0,2
T(0) =
5.Перехідна характеристикаСередня
t (s)y(t)2

Система має передатну функцію G(s) = 16/(s² + 3s + 8) і отримує на вході одиничну сходинку. Знайдіть власну частоту ωn в rad/s.

G(s) = 16/(s² + 3s + 8)
ωn = rad/s
6.Перехідна характеристикаСкладна
R(s)+Ks(s + 5)G(s)C(s)−

Одиничний від’ємний зворотний зв’язок має G(s) = K/(s(s + 5)). Знайдіть коефіцієнт підсилення K, за якого перехідна характеристика має перерегулювання 5 %.

G(s) = K/(s(s + 5))%OS = 5 %
K =
7.Стійкість: Раус–Гурвіц і кореневий годографСередня
R(s)+K = 121s(s + 2)(s + 4)C(s)−

Контур на схемі працює при K = 12, L(s) = K/(s(s + 2)(s + 4)). У скільки разів m можна збільшити коефіцієнт підсилення, перш ніж замкнена система стане нестійкою?

L(s) = K/(s(s + 2)(s + 4))K = 12
m =
8.Стійкість: Раус–Гурвіц і кореневий годографСкладна
ReIm−2−4j2

Для L(s) = K/((s + 2)(s² + 8s + 25)) знайдіть кут відходу θd кореневого годографа від комплексного полюса у верхній півплощині, відміряний від додатного напряму дійсної осі.

L(s) = K/((s + 2)(s² + 8s + 25))
θd = °
9.Усталена похибка та ПІД-регулюванняСередня
R(s)+K(s + 1)(s + 10)C(s)−

Контур з одиничним зворотним зв’язком має G(s) = K/((s + 1)(s + 10)). Знайдіть коефіцієнт підсилення K, за якого усталена похибка для східчастого входу становить 20 %.

G(s) = K/((s + 1)(s + 10))ess = 20 %
K =
10.Усталена похибка та ПІД-регулюванняСкладна
r(t) = 1t+1 + 2/s5(s + 4)(s + 5)C(s)−

ПІ-регулятор C(s) = 1 + 2/s керує об’єктом G(s) = 5/((s + 4)(s + 5)) у контурі з одиничним зворотним зв’язком. Знайдіть усталену похибку ess для лінійно наростального входу r(t) = 1t.

C(s) = 1 + 2/sG(s) = 5/((s + 4)(s + 5))r(t) = 1t
ess =
11.Діаграми Боде та запасиСередня
vin​L = 4,7 mHR = 22 Ωvout​

RL-фільтр нижніх частот на рисунку має R = 22 Ω, L = 4,7 mH. На вхід подають синусоїдний сигнал 1,5 kHz. Знайдіть фазовий зсув φ сигналу vout відносно vin, у градусах.

R = 22 ΩL = 4,7 mHf = 1,5 kHz
φ = °
12.Діаграми Боде та запасиСкладна
|H| (dB)11101010010010001000−80−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ωc​

Контур із одиничним зворотним зв’язком має передавальну функцію розімкненого кола L(s) = 160/(s(s + 10)). Знайдіть запас за фазою PM у градусах.

L(s) = 160/(s(s + 10))
PM = °

3Розчини

1.Перетворення Лапласа

Відповідь: f(1) = 3,996

Перетворення Лапласа: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt перетворює похідні на множення на s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Стандартні пари: 1 ↔ 1/s, e−at ↔ 1/(s + a), t·e−at ↔ 1/(s + a)², sin ωt ↔ ω/(s² + ω²), cos ωt ↔ s/(s² + ω²), а зсув s → s + σ множить оригінал на e−σt. Щоб знайти оригінал раціональної F(s), розкладіть її на простіші дроби: коефіцієнт простого полюса p дорівнює A = [(s − p)·F(s)] при s = p. Теорема про кінцеве значення: f(∞) = lims→0 s·F(s), справедлива лише тоді, коли всі полюси s·F(s) лежать у лівій півплощині. Теорема про початкове значення: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).

Простіші дроби

F(s) = A/s + B/(s + 1) + C/(s + 2)
A = 20/(1·2) = 10
B = 20/((−1)·1) = −20
C = 20/((−2)·(−1)) = 10

Обернене перетворення

f(t) = 10 − 20·e−t + 10·e−2t

Обчисліть

f(1) = 10 − 20·e−1 + 10·e−2·1 = 3,996

Відповідь

f(1) = 3,996
2.Перетворення Лапласа

Відповідь: y(0.25) = 9,199

Перетворення Лапласа: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt перетворює похідні на множення на s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Стандартні пари: 1 ↔ 1/s, e−at ↔ 1/(s + a), t·e−at ↔ 1/(s + a)², sin ωt ↔ ω/(s² + ω²), cos ωt ↔ s/(s² + ω²), а зсув s → s + σ множить оригінал на e−σt. Щоб знайти оригінал раціональної F(s), розкладіть її на простіші дроби: коефіцієнт простого полюса p дорівнює A = [(s − p)·F(s)] при s = p. Теорема про кінцеве значення: f(∞) = lims→0 s·F(s), справедлива лише тоді, коли всі полюси s·F(s) лежать у лівій півплощині. Теорема про початкове значення: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).

Перетворіть рівняння

Y(s) = 600/(s(s + 4)(s + 5))

Простіші дроби

A = 600/(4·5) = 30
B = 600/((−4)·1) = −150
C = 600/((−5)·(−1)) = 120

Виведення

y(t) = 30 − 150·e−4t + 120·e−5t
y(0,25) = 9,199

Відповідь

y(0,25) = 9,199
3.Блок-схеми

Відповідь: τ = 0,01282 s

Алгебра блок-схем: блоки, з’єднані послідовно, перемножуються (G₁·G₂), блоки, з’єднані паралельно, додаються (G₁ + G₂), а контур із прямим шляхом G і шляхом зворотного зв’язку H зводиться до T = G/(1 + G·H) для від’ємного зворотного зв’язку та G/(1 − G·H) для додатного. Спершу згортайте внутрішні контури, потім рухайтеся назовні. Полюси замкненої системи — корені характеристичного рівняння 1 + G(s)H(s) = 0. Для стійкого контуру вхідна сходинка розміром A дає усталений вихід A·T(0); за одиничного зворотного зв’язку усталена похибка на сходинку дорівнює A/(1 + Kp), де Kp = G(0).

Передатна функція замкненої системи

T(s) = G/(1 + G·H) = 38/(s + 2 + 76) = 38/(s + 78)

Результат

τ = 1/78 = 0,01282 s

Відповідь

τ = 0,01282 s
4.Блок-схеми

Відповідь: T(0) = 2,059

Алгебра блок-схем: блоки, з’єднані послідовно, перемножуються (G₁·G₂), блоки, з’єднані паралельно, додаються (G₁ + G₂), а контур із прямим шляхом G і шляхом зворотного зв’язку H зводиться до T = G/(1 + G·H) для від’ємного зворотного зв’язку та G/(1 − G·H) для додатного. Спершу згортайте внутрішні контури, потім рухайтеся назовні. Полюси замкненої системи — корені характеристичного рівняння 1 + G(s)H(s) = 0. Для стійкого контуру вхідна сходинка розміром A дає усталений вихід A·T(0); за одиничного зворотного зв’язку усталена похибка на сходинку дорівнює A/(1 + Kp), де Kp = G(0).

Внутрішній контур

Gᵢ = G₂/(1 + G₂H₁) = 5/(s + 10)

Зовнішній контур

T(s) = G₁Gᵢ/(1 + G₁GᵢH₂) = 70/((s + 2)(s + 10) + 14)

Статичний коефіцієнт підсилення

T(0) = 70/(2·10 + 14) = 70/34 = 2,059

Відповідь

T(0) = 2,059
5.Перехідна характеристика

Відповідь: ωn = 2,828 rad/s

Перехідна характеристика: система першого порядку G(s) = K/(τs + 1) відповідає на сходинку розміром U як y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): вона досягає 63,2 % кінцевого значення K·U за одну сталу часу τ і 98 % за 4τ. Система другого порядку G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) має полюси s = −ζωₙ ± jωd, де ωd = ωₙ√(1 − ζ²). За 0 < ζ < 1 перехідна характеристика має перерегулювання: відсоток перерегулювання %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), час піку tp = π/ωd, а 2-відсотковий час встановлення ts ≈ 4/(ζωₙ). Порівняйте знаменник із s² + 2ζωₙs + ωₙ², щоб знайти ωₙ і ζ. Для системи маса–пружина–демпфер ωₙ = √(k/m) і ζ = c/(2√(km)); для послідовного RLC-кола ωₙ = 1/√(LC) і ζ = (R/2)·√(C/L).

Порівняйте зі стандартною формою

Знаменник має збігатися з s² + 2ζωₙs + ωₙ².

ωₙ² = 8 → ωₙ = 2,828 rad/s
2ζωₙ = 3 → ζ = 3/(2·2,828) = 0,5303

Результат

ωₙ = 2,828 rad/s

Відповідь

ωn = 2,828 rad/s
6.Перехідна характеристика

Відповідь: K = 13,12

Перехідна характеристика: система першого порядку G(s) = K/(τs + 1) відповідає на сходинку розміром U як y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): вона досягає 63,2 % кінцевого значення K·U за одну сталу часу τ і 98 % за 4τ. Система другого порядку G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) має полюси s = −ζωₙ ± jωd, де ωd = ωₙ√(1 − ζ²). За 0 < ζ < 1 перехідна характеристика має перерегулювання: відсоток перерегулювання %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), час піку tp = π/ωd, а 2-відсотковий час встановлення ts ≈ 4/(ζωₙ). Порівняйте знаменник із s² + 2ζωₙs + ωₙ², щоб знайти ωₙ і ζ. Для системи маса–пружина–демпфер ωₙ = √(k/m) і ζ = c/(2√(km)); для послідовного RLC-кола ωₙ = 1/√(LC) і ζ = (R/2)·√(C/L).

Передатна функція замкненої системи

T(s) = K/(s² + 5s + K)

Коефіцієнт демпфування за перерегулюванням

ζ = −ln(0,05)/√(π² + ln²(0,05)) = 0,6901

Коефіцієнт підсилення

ωₙ = 5/(2ζ) = 3,623 rad/s
K = ωₙ² = 13,12

Відповідь

K = 13,12
7.Стійкість: Раус–Гурвіц і кореневий годограф

Відповідь: m = 4

Критерій Рауса–Гурвіца: лінійна система стійка, коли всі корені її характеристичного полінома лежать у лівій півплощині s-площини. Запишіть коефіцієнти по черзі в перші два рядки таблиці Рауса. Кожен елемент нового рядка отримують із двох рядків над ним; для кубічного a₃s³ + a₂s² + a₁s + a₀ елемент рядка s¹ дорівнює b₁ = (a₂·a₁ − a₃·a₀)/a₂. Кількість змін знака в першому стовпці дорівнює кількості коренів у правій півплощині. Якщо коефіцієнти містять коефіцієнт підсилення K, усі елементи першого стовпця мають залишатися додатними: значення K, за якого елемент рядка s¹ обертається на нуль, — це межа стійкості, а рядок s² тоді дає частоту незатухних коливань.

Таблиця Рауса

s³ + 6s² + 8s + K = 0
s³: 1, 8
s²: 6, K
s¹: (6·8 − K)/6
s⁰: K

Найбільший стійкий коефіцієнт підсилення

Kmax = 6·8 = 48

Кратність

m = 48/12 = 4

Відповідь

m = 4

Ця кратність — запас за коефіцієнтом підсилення як відношення: 12,04 dB.

8.Стійкість: Раус–Гурвіц і кореневий годограф

Відповідь: θd = −33,69 °

Кореневий годограф: зі зростанням коефіцієнта підсилення K від 0 до ∞ полюси замкненої системи, тобто корені рівняння 1 + K·G(s) = 0, рухаються від полюсів розімкненої системи до її нулів або до нескінченності. Точка дійсної осі належить годографу, коли кількість дійсних полюсів і нулів праворуч від неї непарна. n − m віток, що йдуть у нескінченність, прямують уздовж асимптот під кутами (2q + 1)·180°/(n − m), які виходять із центра σₐ = (Σ полюсів − Σ нулів)/(n − m). Гілки відходять від дійсної осі або сходяться на ній там, де dK/ds = 0. Умова кута ∠G(s) = 180° визначає форму годографа, а умова модуля K = 1/|G(s)| дає значення K у будь-якій точці годографа.

Положення полюсів

s² + 8s + 25 = 0 → s = −4 ± j3
s = −2

Кути від інших полюсів

∠(−4 + j3 + 2) = atan2(3, -2) = 123,7°
∠(−4 + j3 − (−4 − j3)) = ∠(j6) = 90°

Кут відходу

θd = 180° − 123,7° − 90° = −33,69°

Відповідь

θd = −33,69°
9.Усталена похибка та ПІД-регулювання

Відповідь: K = 40

Усталена похибка: у контурі з одиничним зворотним зв’язком і передавальною функцією розімкненої системи G(s) похибка дорівнює E(s) = R(s)/(1 + G(s)), а за теоремою про кінцеве значення ess = lims→0 s·E(s). Тип системи — це кількість полюсів G(s) у точці s = 0. Константи похибок: Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s) і Ka = lim s²·G(s), усі при s → 0. Східчастий сигнал величини A дає ess = A/(1 + Kp), лінійно наростальний A·t дає A/Kv, а параболічний A·t²/2 дає A/Ka. Контур типу 0 відпрацьовує східчастий сигнал зі скінченною похибкою, контур типу 1 відпрацьовує його точно, а лінійно наростальний — зі скінченною похибкою.

Потрібна константа похибки

1/(1 + Kp) = 0,2 → Kp = 4

Коефіцієнт підсилення

K/10 = 4 → K = 40

Відповідь

K = 40

Перевірте також стійкість замкненої системи: для цього контуру другого порядку будь-яке K > 0 стійке.

10.Усталена похибка та ПІД-регулювання

Відповідь: ess = 2

П-, ПІ- і ПІД-регулювання: регулятор C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s діє на похибку. Пропорційний коефіцієнт підсилення робить контур швидшим і зменшує похибку об’єкта типу 0, але ніколи не усуває її. Інтегральна складова додає полюс у точці s = 0: тип системи зростає на одиницю, і східчастий сигнал відпрацьовується без похибки. Диференціальна складова додає демпфування. Щоб підібрати коефіцієнти, запишіть характеристичний поліном замкненої системи й порівняйте його з s² + 2ζωns + ωn². Тоді %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd при ωd = ωn√(1 − ζ²), а ts ≈ 4/(ζωn).

Швидкісна константа

s·C(s) = 1s + 2 → 2 при s → 0.

Kv = 2·5/20 = 0,5

Похибка за лінійно наростального сигналу

ess = 1/0,5 = 2

Відповідь

ess = 2

ПІ-регулятор повністю усуває похибку за східчастого сигналу; лінійно наростальний сигнал відпрацьовується з незмінним відставанням.

11.Діаграми Боде та запаси

Відповідь: φ = −63,59 °

Частотна характеристика: підставте s = jω у передавальну функцію. Модуль у децибелах дорівнює 20·log₁₀|H(jω)|, а фаза — сумі кутів множників чисельника мінус кути множників знаменника. Фільтр першого порядку RC або RL має частоту зрізу (−3 dB) ωc = 1/(RC) або R/L, а fc = ωc/(2π); фільтр нижніх частот дає |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) і φ = −atan(ω/ωc). На асимптотичній (ламаній) діаграмі Боде кожен полюс згинає модуль вниз на 20 dB/decade на своїй частоті зламу, кожен нуль згинає його вгору на 20 dB/decade, а інтегратор 1/s дає −20 dB/decade на всіх частотах. Частота зрізу за коефіцієнтом підсилення ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); запас за фазою PM = 180° + ∠L(jωc). Частота перетину за фазою ω180: ∠L(jω) = −180°; запас за підсиленням GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. Замкнена система стійка, коли обидва запаси додатні.

Частота зрізу

ωc = R/L = 22/0,0047 = 4681 rad/s
fc = 745 Hz → f/fc = 1500/745 = 2,013

Фаза

φ = − atan(2,013) = −63,59°

Відповідь

φ = −63,59°
12.Діаграми Боде та запаси

Відповідь: PM = 42,68 °

Частотна характеристика: підставте s = jω у передавальну функцію. Модуль у децибелах дорівнює 20·log₁₀|H(jω)|, а фаза — сумі кутів множників чисельника мінус кути множників знаменника. Фільтр першого порядку RC або RL має частоту зрізу (−3 dB) ωc = 1/(RC) або R/L, а fc = ωc/(2π); фільтр нижніх частот дає |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) і φ = −atan(ω/ωc). На асимптотичній (ламаній) діаграмі Боде кожен полюс згинає модуль вниз на 20 dB/decade на своїй частоті зламу, кожен нуль згинає його вгору на 20 dB/decade, а інтегратор 1/s дає −20 dB/decade на всіх частотах. Частота зрізу за коефіцієнтом підсилення ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); запас за фазою PM = 180° + ∠L(jωc). Частота перетину за фазою ω180: ∠L(jω) = −180°; запас за підсиленням GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. Замкнена система стійка, коли обидва запаси додатні.

Зріз за підсиленням

ω⁴ + 100ω² − 25600 = 0
ω² = (−100 + √(10000 + 4·25600))/2 = 117,6
ωc = 10,85 rad/s

Запас за фазою

∠L(jωc) = −90° − atan(10,85/10) = −137,3°
PM = 180° + ∠L = 42,68°

Відповідь

PM = 42,68°

ExamProblems · examproblems.com/courses/control-engineering-1